[发明专利]一种芯片CPT原子钟物理系统装置

说明书

技术领域

本发明技术涉及原子钟领域，尤其涉及一种芯片CPT原子钟物理系统装置，适用于制造芯片CPT原子钟。 

背景技术

原子钟是一种计量时间的工具，利用微观世界原子不同能级之间的量子跃迁计量时间，因为这种量子跃迁的频率具有很高的稳定度，用其对普通的晶体振荡器频率进行锁定，制造出具有很高稳定度的原子钟。原子钟成为一种提供高稳定度、高准确度的频率信号的设备，可以满足守时授时、导航定位、精密测量、高速通信等众多要求。 

物理系统是原子钟的核心部件，物理系统的好坏直接决定了原子钟性能和指标的优劣，因此，物理系统的设计是实现原子钟的关键之一。物理系统中的汽泡内部包含碱金属原子和缓冲气体，并被加热到高于室温以产生碱金属原子蒸汽。缓冲气体为氮气、甲烷、氦气等不活泼气体或它们的混合气体，用来压窄谱线宽度、荧光淬灭、能级混杂等。碱金属原子为铯133、铷87或铷85，它们的基态超精细子能级之间的共振用来鉴定注入微波的频率。如图1所示，在弱磁场下，由于两m_F＝0的能级(“0-0”能级)对磁场不敏感，因此常用它们之间的跃迁频率υ₀₀作为原子钟鉴频频率。当微波频率扫过跃迁频率时，共振信号表现为探测光信号会出现一个凹陷或者凸起，利用本地振荡器产生微波，将此微波锁定到共振信号中凹陷或凸起所对应的中心跃迁频率上，就可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。 

CPT原子钟是一种新型原子钟，具有体积小、功耗低、启动快等特点，有着广泛的应用前景。原理上，它也是目前已知的唯一可微型化的原子钟。应用MEMS工艺制造量子系统，ASIC工艺制造电子学系统，可以实现芯片CPT原子钟。 

图2是传统的被动型汽泡式CPT原子钟的物理系统方案图。一定功率的微波通过电容与直流混合，混合的电信号注入垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL)来产生多边带光，该多边带光的基频受 注入直流和激光器温度控制，相邻边带的频差等于微波频率，各边带光强度满足贝塞尔函数。CPT共振需其中两个边带激发，若为±1级边带光，则称为半宽调制激发；若为基频(0级)和+1(或-1)级边带光，称为全宽调制激发。四分之一波片(λ/4波片)的作用是将VCSEL输出的线偏振光转变成左旋(σ-)或右旋(σ+)圆偏振光。汽泡置于可准确控温的环境中，为原子与激光相互作用提供所需的原子蒸汽。在对环境磁场作屏蔽的前提下，在汽泡外设置螺线管(图2中未画出)产生平行于光传播方向的磁场。光电探测器探测透过汽泡的激光，并转变为光电流信号。合理控制注入直流和激光管温度，使VCSEL输出光中激发CPT的两个边带分别激发两基态到同一激发态的电偶极跃迁(D1线或D2线跃迁)。调节微波频率从而改变两边带光的频率差，当频率差扫过超精细能级“0-0”共振频率时，光电探测器输出光电流将出现一个共振信号。处理该共振信号得到反馈控制微波频率的信号，实现闭环控制后，即可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。 

上述传统的CPT原子钟采用单束的σ-或σ+圆偏振激光作为光源激发原子跃迁方案，这种方案有一个缺点，即由于圆偏振激光对原子超精细分裂磁子能级的光抽运效应，使得原子倾向于累积在基态磁量子数最小(或最大)的磁子能级上，而这个能级对CPT暗态是没有贡献的，我们称之为极化暗态。图1说明了此现象，因此信号对比度(CPT共振增加的光电流信号幅度比上非共振的光电流信号幅度)不高。而CPT原子钟的短期频率稳定度与对比度成反比，因此该方案制造的CPT原子钟的短期稳定度不高。 

采用正交圆偏振激发CPT共振的方案，利用σ-和σ+圆偏振光同时与原子作用，可以消除上述极化暗态，得到高对比度CPT信号。该方案可用一个光与原子相互作用的四能级图来说明，如图3所示。通过在时间或者空间上延时使σ-和σ+圆偏振光相位差为(2n+1)π(n为整数)，可以达到态函数同相叠加效果，使得CPT共振信号增强，并能将原子集中在“0-0能级”，如图4所示。因此正交圆偏振激发CPT共振的方案制作的原子钟短期稳定度会明显高于传统CPT原子钟。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种被动型CPT原 子钟物理系统装置，该装置能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度。另外，装置中所有器件都利于集成，可实现微型化被动型CPT原子钟。 

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：